古气候驱动的沉积环境变化塑造了冲积-湖泊平原中的高碘含水层

《Journal of Hydro-environment Research》：Paleoclimate-driven sedimentary environment change shaped high iodine aquifers in alluvial-lacustrine plains

古气候驱动的沉积环境转变控制了江汉平原高碘地下水形成，揭示有机质与铁氧化物协同富集碘的机制。研究显示温暖湿润气候下湖相沉积形成高有机质和 amorpha铁氧化物环境，氮含芳烃有机分子与Fe?x?形成稳定复合物，经同位素地球化学和沉积-地下水系统分析证实，气候变迁通过改变沉积相和水循环影响碘赋存。

　　在地球的水资源系统中，碘元素的分布与迁移对全球水安全构成了潜在威胁。尤其是地源性碘（即来源于地质过程而非人类活动的碘）在地下水中的富集，不仅影响水质，还可能对人类健康产生不利影响。本研究聚焦于中国长江中游的江汉平原，这一地区是典型的冲积-湖泊平原，其沉积环境的变化与古气候密切相关。通过沉积地球化学和地质年代学的综合分析，研究揭示了古气候如何调控该区域含水层中碘的富集过程，为理解全球冲积-湖泊系统中碘的富集机制提供了新的视角。

碘作为一种重要的微量元素，对甲状腺激素的合成和人体生理功能至关重要。然而，碘的摄入量需严格控制，过量摄入可能导致碘过量症（IED），表现为甲状腺肿大、甲状腺功能异常等健康问题。尽管饮食是碘的主要来源，但地下水中的高碘浓度可能成为另一种重要的暴露途径。研究表明，高碘地下水主要出现在沿海平原、内陆干旱/半干旱盆地以及冲积-湖泊洪泛平原等区域。然而，目前关于这类地下水的形成机制和分布规律的系统性研究仍显不足，特别是在大尺度和区域尺度上的研究较少，这限制了我们对如何保护饮用水资源的理解。

地源性碘的富集主要依赖于含水层系统中的水-岩相互作用。沉积环境的演变在决定高碘含水层的形成中起着关键作用。例如，在华北平原，第四纪海侵沉积物是地下水碘的重要来源。而在干旱或半干旱的内陆盆地，如河套盆地和大同盆地，高碘地下水则与富含有机质的沉积层有关。在江汉平原的冲积-湖泊环境中，我们先前的研究发现，浅层含水层中碘的浓度较高，其中有机质和铁（氧氢）氧化物在黏土层中扮演着重要的碘储存角色。这些有机质和铁氧化物的相互作用促进了碘的释放，进而影响地下水的碘含量。

然而，这些沉积环境的变化与古气候之间的关系尚未得到充分阐明。在冲积-湖泊平原的含水层中，古气候的转变对有机质和铁氧化物的埋藏与迁移具有深远影响。例如，寒冷干旱的气候条件有利于硅酸盐矿物的积累，而温暖湿润的气候则促进了化学风化作用，并推动硅酸盐结合的铁向低结晶度的铁氧化物（如Fe_ox1）转化。同时，气候的变化还显著影响生物生产力和有机质的埋藏过程。低温会抑制光合作用，从而减少有机质的输入；而温暖湿润的环境则有利于藻类和水生植物的生长，进而增加有机质的沉积量。此外，温暖湿润的气候条件可能通过微生物作用促进芳香性有机质的保存，这为碘的富集提供了更适宜的条件。

江汉平原作为长江中游典型的冲积-湖泊平原，其沉积记录跨越了多个地质时期，形成了独特的沉积环境演化序列。该区域的沉积物主要由河流沉积和湖泊沉积构成，其中湖泊沉积物在温暖湿润的气候条件下尤为显著。研究发现，现代的高碘含水层往往与这些湖泊沉积物的形成密切相关。在古气候的驱动下，河流的侵蚀和沉积作用发生了显著变化，这不仅塑造了沉积物的结构，也影响了碘的富集过程。

本研究通过分析沉积物核心JH01和JH02的沉积记录，揭示了古气候如何在不同地质时期调控沉积环境的演变。这些核心样本涵盖了从晚更新世到全新世的沉积过程，记录了气候条件的变化如何影响河流与湖泊的沉积格局。例如，在末次冰盛期（LGM，约20千年前），寒冷干旱的气候条件导致长江水位下降，河流侵蚀作用增强，粗粒沉积物的搬运更为频繁。而在冰盛期之后，气候逐渐回暖，海平面升高，河流的侵蚀作用减弱，沉积环境由河流向湖泊转变，形成了富含有机质和铁氧化物的沉积层。

这种沉积环境的转变对碘的富集至关重要。温暖湿润的气候不仅促进了生物生产力的提高，还增强了化学风化作用，为碘的释放提供了有利条件。同时，沉积物中的有机质和铁氧化物的相互作用也对碘的迁移和富集起到了关键作用。研究发现，富含氮的芳香性有机分子与无定形铁氧化物之间形成了稳定的Fe-OM-I复合物，这种复合物能够有效固定碘，使其在沉积物中长期保存。此外，这些有机分子的结构特征（如芳香性和不饱和性）使其更易与碘结合，从而在沉积过程中促进碘的富集。

在江汉平原的沉积物中，有机质和铁氧化物的共同埋藏是高碘含水层形成的关键机制。这种共存不仅与古气候的转变有关，还与沉积环境的稳定性密切相关。例如，在稳定的水动力条件下，有机质和铁氧化物能够有效地被埋藏，形成富含碘的沉积层。而水动力条件的不稳定则可能导致这些物质的再分布，从而影响碘的富集程度。

本研究通过整合古气候、沉积地质和水文地球化学的多学科方法，揭示了古气候如何通过调控沉积环境的演变，进而影响高碘含水层的形成。这一发现不仅加深了我们对江汉平原高碘地下水成因的理解，也为全球冲积-湖泊系统中碘的富集机制提供了新的研究视角。通过建立一个综合的模型，研究进一步探讨了古气候、沉积环境和水文条件之间的相互作用，为未来水资源管理和环境保护提供了重要的科学依据。

研究的结论表明，古气候的转变是高碘含水层形成的核心驱动力。在温暖湿润的气候条件下，河流向湖泊的转变促进了有机质和铁氧化物的共同埋藏，为碘的富集创造了有利条件。同时，有机质和铁氧化物之间的相互作用在碘的固定和迁移中起到了关键作用。这一发现对于理解全球范围内冲积-湖泊系统中碘的分布规律具有重要意义。此外，研究还强调了古气候对沉积环境演化的影响，表明气候条件的变化不仅决定了沉积物的类型和分布，还深刻影响了水文地球化学过程，进而影响地下水的质量和安全。

本研究的成果对于水资源管理和环境保护具有重要的应用价值。在江汉平原等冲积-湖泊平原地区，高碘地下水的形成与古气候密切相关，这提示我们应关注气候变迁对地下水系统的影响。通过深入研究古气候与沉积环境之间的关系，可以更好地预测和评估未来气候变化对地下水质量的潜在影响。此外，研究还指出，有机质和铁氧化物的共同作用是碘富集的重要机制，这为改善地下水质量提供了新的思路和方法。

在实际应用中，这一研究可以为水资源管理提供科学支持。例如，在高碘地下水分布的区域，可以通过调控沉积环境和水文条件，减少碘的释放和迁移。同时，研究还强调了有机质和铁氧化物的相互作用，这提示我们应关注这些物质的分布和变化，以评估其对地下水质量的影响。此外，研究还指出，气候条件的变化对生物生产力和有机质的埋藏具有重要影响，这为预测未来气候变化对地下水系统的影响提供了理论基础。

总体而言，本研究通过综合分析古气候、沉积地质和水文地球化学，揭示了高碘地下水的形成机制。研究不仅加深了我们对江汉平原地下水系统的理解，也为全球冲积-湖泊系统中碘的富集机制提供了新的视角。这一成果有助于我们更好地认识气候变迁对地下水质量的影响，从而为水资源管理和环境保护提供科学依据。未来的研究可以进一步拓展这一模型，探索其他地区高碘地下水的形成机制，并评估气候变化对地下水系统的影响。